一种用于esd保护的自偏置堆栈式scr器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子技术领域，具体涉及静电释放(ESD:Electro_Static discharge)保护电路的设计，尤指一种横向半导体控制整流器(Semiconductor Control Rectifier简称 SCR) ο
【背景技术】
[0002]静电放电(ESD)是有限的电荷在两个不同电势的物体之间转移的事件，在人们日常生活中，ESD现象随处可见。对于集成电路来说，从生产到运输，系统集成以及用户使用，所有过程都有可能在集成电路的引脚上产生静电放电现象；ESD所产生的瞬间高压静电脉冲通过芯片管脚流经芯片内部，从而导致芯片内部线路损伤而无法正常工作；而有些芯片所受到的ESD损伤是潜伏的，通常无法在测试阶段发现，它带来的后果是最终产品交付到终端用户手中时，产品的使用寿命将会大大减少。在过去三十年的研究中发现，70%的芯片失效是由ESD事件引起的，因此，ESD保护器件的设计及应用极其重要。
[0003]要实现一个特定半导体工艺上的ESD保护器件的设计和优化，首先要确定该工艺的ESD设计窗口，ESD设计窗口就是ESD器件的安全工作区域。ESD设计窗口由两个边界确定，第一个是左边界，即芯片1/0 口或电源管脚的工作电压VDD，保护器件的箝位电压要高于工作电压以避免闩锁效应的发生；第二个是右边界，即芯片内部核心电路能正常承受而不损坏的最大电压，保护器件要在该边界电压值之前触发，一般来讲这个边界电压值是栅氧化层的击穿电压BVox。
[0004]如图1所示为一个典型SCR器件的ESD设计窗口，其中，Vtl和Itl是SCR器件的触发电压和触发电流，Vh和Ih是SCR器件的维持电压和维持电流，Vt2和It2是SCR器件的二次击穿电压和二次击穿电流。从图1可以看出，SCR器件的触发电压、维持电压和二次击穿电压一定要在该ESD设计窗口的范围之内，即大于电源电压VDD且小于栅氧化层的击穿电压BVox。
[0005]基于SCR的ESD保护结构具有极高的效率并可以提供很高的ESD保护水平已成为ESD保护方案中的重要选择，但其触发电压高及维持电压低已成为制约其发展应用的重要方面。
[0006]如图2所示为典型SCR器件结构及其等效电路图。从图中可以看到，该SCR器件是由一个寄生的pnp晶体管和一个寄生的npn晶体管构成；其中，p型重掺杂区122、n型阱区120、p型阱区130和p型重掺杂区132构成一个pnp晶体管，η型重掺杂区131、ρ型阱区130、η型阱区120和η型重掺杂区121形成一个npn晶体管，R_nw为η型阱区120电阻，R_pw为ρ型讲区130电阻。当ESD事件来临时，寄生npn管的集电结反偏；当该反偏电压大于该pn结的雪崩击穿电压，该pn结产生大量的电子空穴对，电子电流流过η型阱区120在R_nw上产生压降，使ρ型重掺杂区122和η型阱区120形成的pn结正偏，即寄生pnp管的发射结正偏；随着pnp管开启，pnp管的集电极电流流过ρ型讲区130电阻R_pw，使η型重掺杂区131和ρ型讲区130形成的pn结正偏，即npn管中的发射结正偏，使npn管开启；之后，pnp管的集电极电流为npn管提供基极电流，且npn管的集电极电流为pnp管提供基极电流，在寄生pnp管与npn管之间产生正反馈机制，SCR导通。
[0007]当SCR器件的触发电压太高，高于保护电路的栅击穿或结击穿电压时，SCR就起不到电压箝位的作用，使内部电路损坏。SCR器件由于内部的工作机理，其维持电压一般在2V左右，当SCR器件用于保护电源电压大于2V的集成电路时，由于维持电压过低，容易发生闩锁效应，导致整个集成电路失效，这种现象在高压集成电路中尤为严重；因此，降低SCR器件的触发电压同时提高SCR维持电压是SCR器件作为ESD保护器件的重要发展方向。
[0008]为了提高SCR器件的维持电压，目前常用的方法是将多个SCR器件进行串联，即堆栈型的SCR器件结构，结构如图3所示，图中的SCR结构是由η个SCR串联而成，即由器件100、器件200、器件300……器件η00构成。其中，器件100是一个基本的SCR器件，其结构包含P型硅衬底110 ;所述衬底110上形成阱区，所述阱区包括一个η型阱区120和一个ρ型阱区130，所述阱区120邻接所述阱区130;所述η型阱区120内设有η型重掺杂区121和Ρ型掺杂区122，且所述η型重掺杂区121和ρ型掺杂区122与阳极相连；所述ρ型阱区130内设有η型重掺杂区131和ρ型重掺杂区132，且所述η型重掺杂区131和ρ型重掺杂区132与阴极相连；器件200是一个基本的SCR器件，其结构包含Ρ型硅衬底110 ;所述衬底110上形成阱区，所述阱区包括一个η型阱区140和一个ρ型的阱区150，所述阱区140邻接所述阱区150 ;所述η型阱区140内设有η型重掺杂区141和ρ型掺杂区142，且所述η型重掺杂区141和ρ型掺杂区142与阳极相连；所述ρ型阱区150内设有η型重掺杂区151和ρ型重掺杂区152，且η型重掺杂区151和ρ型重掺杂区152与阴极相连；器件200的阳极与器件100阴极相连；后续器件依次串联，该堆栈器件的等效电路图如图3中所示。
[0009]对上述SCR器件堆栈结构进行模拟，其结果如图4所示，从结果中可以看出，该器件的维持电压随着SCR器件的数目的增加而增加，且该结构的维持电压Vh’与单个SCR器件的维持电压Vh的关系为:Vh’ = nXVh，即该结构的维持电压也是成倍增加；但其触发电压也随堆栈器件数η增大，单个SCR触发是通过两个阱之间的雪崩击穿引发的，当采用堆栈结构时就需要所有的SCR器件的阱发生雪崩击穿才能引发所有SCR器件触发进入低阻状态。然而高的触发电压对于ESD保护器件来讲是必须要避免的。
[0010]而针对上述堆栈结构触发电压大的问题，也有相关改进报道，如申请号为201410449412.3的中国专利中公开的ESD保护电路，为了降低该电路的触发电压，采用外接电阻形成的偏置电路对SCR器件提供触发电流，该结构虽然能够降低堆栈式SCR器件结构触发电压，但其添加电阻偏置电路必然会增加器件结构复杂度，且占用一定的芯片面积，势必会使集成电路的性价比降低。
[0011 ] 因此，本发明提供了一种自偏置堆栈式SCR器件结构。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于针对【背景技术】中的缺陷提供一种用于ESD保护的自偏置堆栈式SCR器件，能够通过堆栈SCR器件数目的变化实现器件高维持电压，同时触发电压不变；另外，本发明堆栈式SCR器件不需要外加任何偏置电路为器件提供偏置电流。
[0013]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0014]一种用于ESD保护的自偏置堆栈式SCR器件，由η个SCR器件串联而成，包括1个主器件和n-1个后级堆栈器件，其特征在于，所述后级堆栈器件结构包括第一种导电类型硅衬底110，硅衬底上形成相邻接的第二种导电类型阱区140和第一种导电类型阱区150，所述第二种导电类型阱区内设有第二种导电类型重掺杂区141、第一种导电类型重掺杂区142和第二种导电类型重掺杂区143，所述第一种导电类型阱区150内设有第一种导电类型重掺杂区153、第二种导电类型重掺杂区151和第一种导电类型重掺杂区152 ;所述第二种导电类型重掺杂区141、第一种导电类型重掺杂区142和第一种导电类型重掺杂区153与阳极相连，所述第二种导电类型重掺杂区143、第二种导电类型重掺杂区151和第一种导电类型重掺杂区152与阴极相连；所述主器件阳极作为自偏置堆栈式SCR器件阳极，主器件阴极连接后级堆栈器件阳极，其他后级堆栈器件依次串联。
[0015]一种用于ESD保护的自偏置堆栈式SCR器件，由η个SCR器件串联而成，包括1个主器件和n-Ι个后级堆栈器件，其特征在于，所述后级堆栈器件结构包括第一种导电类型硅衬底110，硅衬底上形成相邻接的第二种导电类型阱区140和第一种导电类型阱区150，所述第二种导电类型阱区140内设有第二种导电类型重掺杂区141、第一种导电类型重掺杂区142和第二种导电类型重掺杂区143，所述第一种导电类型阱区150内设有第二种导电类型重掺杂区151和第一种导电类型重掺杂区152 ;所述第二种导电类型重掺杂区141和第一种导电类型重掺杂区142与阳极相连，所述第二种导电类型重掺杂区143、第二种导电类型重掺杂区151和第一种导电类型重掺杂区152与阴极相连；所述主器件阳极作为自偏置堆栈式SCR器件阳极，主器件阴极连接后级堆栈器件阳极，其他后级堆栈器件依次串联。
[0016]一种用于ESD保护的自偏置堆栈式SCR器件，由η个SCR器件串联而成，包括1个主器件和n-Ι个后级堆栈器件，其特征在于，所述后级堆栈器件结构包括第一种导电类型硅衬底110，硅衬底上形成相邻接的第二种导电类型阱区140和第一种导电类型阱区150，所述第二种导电类型阱区内设有第二种导电类型重掺杂区141和第一种导电类型重掺杂区142，所述第一种导电类型阱区内设有第一种导电类型重掺杂区153、第二种导电类型重掺杂区151和第一种导电类型重掺杂区152 ;所述第二种导电类型重掺杂区141、第一种导电类型重掺杂区142和第一种导电类型重掺杂区153与阳极相连，所述第二种导电类型重掺杂区151和第一种导电类型重掺杂区152与阴极相连；所述主器件阳极作为自偏置堆栈式SCR器件阳极，主器件阴极连接后级堆栈器件阳极，其他后级堆栈器件依次串联。
[0017]本发明提供用于ESD保护的自偏置堆栈式SCR器件，该堆栈式SCR器件维持电压随着堆栈SCR器件的数目的增加而增加，且触发电压保持为主SCR器件的触发电压；本发明根据主SCR器件和堆栈SCR器件结构特性进行堆栈式SCR器件结构设计，实现上述目的的同时无需外加任何偏置电路，能够自偏置，提升堆栈式SCR器件性能的同时大大简化器件结构，提高集成电路性价比；并且，本发明提供自偏置堆栈式SCR器件能够通过堆栈SCR器件数量便捷调节堆栈式SCR器件维持电压、通过调整主器件触发电压便捷调节堆栈式SCR器件触发电压。
【附图说明】
[0018]图1为ESD设计窗口。
[0019]图2为基本SCR器件结构及等效电路示意图。
[0020]图3为传统堆栈式SCR器件结构及等效电路示意图。
[0021]图4为传统堆栈式SCR器件模拟结果图。
[0022]图5为实施例1中采用双触发SCR的自偏置堆栈式SCR器件结构及等效电路示意图，其中，(a